1895年12月赫定带着伊斯兰巴和几个新人，离开喀什，第二次向塔克拉玛干沙漠进发了，他决心要雪耻。21天后，他们顺利来到和田。刚到这个“文明圣地”，赫定就听说了一则源自公元632年的传说，述说和田以北的沙漠里有一座被沙雨掩埋的古城，当地人叫它“塔克拉玛干城”或“丹丹乌里克”（意为“象牙房”，后来斯坦因来此考察过）。赫定立即着手准备工作，几天后，他带着一个旅行队就出发了。
冒着严寒跋涉整整10天，赫定终于来到了这片传说中的废墟。首先见到的是如象牙般耸立在沙丘之中的一些房柱和木板，后来，又在一块墙壁上发现了好几个用石膏塑成的颇有艺术性的人物像，包括释迦牟尼和佛门诸神。这些人物或站立，或盘腿坐在莲花座上，穿着宽松的袈裟，头顶环绕着焰火光环。赫定立刻意识到，在这荒凉的地方，自己竟于无意中发现了长时间消失了的佛教文化的遗迹，那正是被法显所生动描述过的文化。在将这些发现品和其他遗物小心地装进箱子之后，赫定又在图纸上将这片古城的位置、城旁干涸的运河、枯朽的胡杨林和一片荒凉的果园详细地描述了下来。虽然自己不是考古家，对这样一个重要的地方无法科学系统地发掘，但赫定还是觉得自己有责任为后来者指引一条道路。
带着初次获胜的喜悦，赫定继续东行。几天后，在克里雅河（和田河）边，他们又发现了被黄沙埋没的古城喀拉图（意为黑山），赫定照样把它精确地绘在地图上。沿着克里雅河继续向北，赫定来到了沙漠中的最后一个村庄——卡达克，在这里，他遇到了一个“不知有魏晋”的老人，老人告诉他，他三年前见到过老虎。
当克里雅河最终消失在沙海里的时候，赫定见到了奇妙的野骆驼。这是普尔热瓦尔斯基第一次将它的皮带回欧洲后，欧洲人才知道的一种动物。在手下猎人的带领下，赫定近距离仔细观察了这种动物，还射死了几头，得到了梦寐以求的皮和骨架。
继续向北，越过广袤的沙漠，赫定来到了塔里木河以北的沙雅，至此，赫定又一次穿越了塔克拉玛干大沙漠。在这里，赫定决定绕道罗布泊，沿马可.波罗走过的南路返回和田。于是，赫定沿着塔里木河来到了库尔勒，顺着河流来到了罗布泊。在罗布人的首府阿不旦村，赫定受到了其世袭首领昆其康伯克的接待。划着独木舟，赫定测量了这个洋溢着水乡情调的地方，也从此与罗布泊结下了不解之缘。
5月27日，赫定抵达和田。在这赫定呆了一个月的时间，期间一边画地图、整理笔记，一边准备新的旅程——远征西藏北部。赫定7月30日离开和田，取道克里雅向西藏北部高原进发。经过近两个月的艰苦跋涉，通过了海拔4000米以上的高地，进入了柴达木盆地，之后经过青海湖东行到西宁，参观了塔尔寺。
此后赫定取道张家口于1897年3月到达北京，结束这次探险。在北京逗留期间，赫定受到了李鸿章的接见和宴请。席间赫定向李鸿章介绍自己的国家如何富足，李评论道：那我要建议沙皇赶快占领瑞典。当李鸿章询问为何探险的时候，赫定终于得到报复的机会：为瑞典国王探查有没有可供占领的省份。
1897年初夏，赫定经蒙古、西伯利亚、圣彼得堡返回瑞典。途中，他觐见了沙皇尼古拉二世。沙皇尼古拉二世对他的中亚探险饶有兴趣，详细地询问了帕米尔新划分的英俄边界情况，并表示愿意对他下次探险尽可能多的帮助。
归国后，瑞典国王为赫定举行了有800多人参加的盛大宴会，并在会上称其为“瑞典民族精神的先驱者”。荣誉从此堆积而来，赫定得到了儿时期盼的一切，他从此闻名于欧洲。但经历了死亡之旅的赫定清醒地知道，他的事业还没取得最后成功，他的机会在那面目冷峻的千古荒漠塔克拉玛干。于是，他一面整理笔记、写作考察报告《穿过亚洲》，一面加紧做重返中国西域的准备。
1899年仲夏，赫定告别亲人，踏上了重返塔克拉玛干的征程。这一次获得了瑞典国王和百万富翁诺贝尔的赞助，所带物资从探测仪器到生活用品应有尽有，还有特制的折叠艇。在经过俄国境内时，沙皇授予他免费乘车、免费转运以及免税等特权，并派了20名哥萨克骑兵做他的护卫。他此行的目的首先是测量并绘制叶尔羌河地图，再测绘其下游的塔里木河，最后测绘沙漠腹地中的盐湖——罗布泊。
抵达喀什后，赫定又雇请了获得了瑞典国王授予金质奖章的伊斯兰巴，在俄国领事的协助下，准备完毕后于1899年9月5日出发了。6天后，他们抵达叶尔羌河边的莱里克村，与他上次出发的地点麦盖提隔河相对。在这，他从当地人手里购买了一艘渡船，又制作了一只小船，雇了5个水手。接着，赫定扬帆顺叶尔羌河出发了。
一路上，除了黑风、浅滩、急流以及偶尔倒下来的树木堵塞了河流等等事故所造成的危险外，水上旅途还是很惬意的。有时，赫定一边绘制两岸地图，一边用留声机播放瑞典国歌，引得偶尔过往的牧人和驼队的惊异和注目。一个多月后，他们在叶尔羌河蜿蜒河面上的航行结束了，进入了有几条河流汇入的塔里木河。又经过10天多艰险航行，于12月7日到达了新湖。在这里，他们的水上之旅不得不结束：严寒的气流使河水冻结，他们船难以继续行驶。而这里离他的目的地还有140多英里，赫定决定以此为驻地，留下来，直到来年河水解冻为止。而这个期间，正好走陆路考察这个地区西南的沙漠。
12月20日，赫定又展开了新的沙漠旅程，20天之后，他们成功地横越了大沙漠到了南丝绸之路的若羌绿洲，然后又转向东北，朝塔克拉玛干最东头的罗布沙漠前进。又走了22天后，在罗布泊旧河床，他们突然发现了几间木屋的残迹耸立在一个土丘上，好像悬在空中一样。显然这是多年的风蚀作用的结果。一番搜寻后，发现了几枚中国古钱、几把铁斧和几块木雕，一块刻着一个手持三叉戟的武士，另一块刻的是头戴花冠的人，还有一块刻着莲花。赫定立即把这些东西装了起来，派人送往新湖。接着，赫定扩大了寻找范围，在木屋东南大约1公里处，们又发现4座塔楼，但赫定无法搞清楚它们是军事堡垒还是烽火台，或者是宗教建筑。
第二天，赫定决定离开此地，炎热的夏季就要到来，携带的水已经不多，这里又是沙漠腹地，不可久留。走了20多公里后来到了一块洼地，里面长有几株的红柳，说明地下可能有水。皮囊里的水仅够维持两天了，于是，赫定下令在这里掘井找水。这时，他们才发觉仅有的那把铁铲不见了，仆人奥尔得克忽然想起并爽快地承认，是他把铁铲忘记在木屋那里，他愿意回去取来。
奥尔得克经历沙暴第二天回来时，不仅带回了那把铁铲，还带回来一个重大发现。他告诉赫定说，暴风刮起时，他迷路走进了一座土台，那土台旁边有许多房屋的废墟，许多图案精美的壁板半埋在沙土中。他顺手拣了几枚钱币，拿了两块雕刻木板，然后寻到先前的木屋遗址，找到了那把铲子。但木板太重，没法带回来。赫定一听，立刻派他和另外几个人去把木板带回来。当赫定接过雕刻木板时，他简直目眩神迷，那雕刻的漩涡花饰和树叶无比精美。当他听说那有许多这样的东西时，恨不得立即到那里去，但他知道是一个愚蠢的想法，因为只剩下两天的水了，他不能打乱经过慎密考虑的旅行计划，不能拿人的性命作赌注。唯一的选择，就是等到明年冬天再回来探寻那一片废墟的秘密。
回到新湖营地后，赫定继续着前面的工作，完成了塔里木河整条河流的测量。这之后，为躲避夏季沙漠的炎热，他决定远征藏北，绘制藏东高原的局部地图。一番准备后，他们出发了。虽然一路上景色壮观，还见到了野驴、野牦牛，但在高海拔的地方翻山越岭，人和牲口都难以坚持，进入西藏没多久，就失去了一个人，十匹马和三头骆驼，还有几个人冻伤。在死亡的威胁下，赫定决定离开西藏，回到罗布泊沙漠中的神秘遗址。
1901年1月，赫定来到塔克拉玛干沙漠的边缘——喀喇昆仑山下的科什塔克村。经过充足的准备，东行400多公里，然后向北，选取了距离罗布泊最近的路线开始穿越沙漠。走过戈壁沙丘，走过魔鬼般的雅丹地貌地带，经历断水的恐惧，走过野骆驼踩出的小道，3月3日，赫定按预定计划到达了奥尔得克发现雕刻木板的地方——这是旧罗布泊湖畔的一座古城，往日的繁华已烟消云散，留下的只有死亡与沉寂。所有的屋舍几乎都是木制的，墙壁则是用一束束的柳枝糊上泥巴构筑而成。赫定仔细地勘察了这座与世隔绝的古城遗址，并在地图上描绘平面图。这之后，他开始了挖掘。
为了鼓舞士气，赫定宣布对第一个能找到“任何形式的人类书写文稿”的人以金钱奖励。手下人卖力地挖开了。先找到只是一些毛毯破布、棕色头发、靴子底部、家畜的碎骨头、一个耳环、中国钱币、碎陶片，以及一些零零碎碎的东西。后来又发现了一间规模较大的佛寺遗迹，周围是一座园林。他们挖掘出一尊约1米高的木刻立佛像，佛像雕刻精美。也找到了一些不完整的木雕半身像。终于，有一个手下找到了一小块刻有印度佉卢文的木板，得到了赏金。
几天之后，在一个形似马厩的泥屋里，一个仆人挖出了一张写有中国汉文字的纸，也得到了奖金。继续往下挖，用手指把沙子和尘土过滤掉，纸片一张又一张地出土了，总共36张，都写有文字。此外还找到了121根小木棍，上面也都刻有文字。
3月9日，是赫定在古城遗址的最后一天。傍晚时分他又挖掘到了两支毛笔、一个完整的陶土罐、大量的钱币以及各种小东西。
至此，对古城的发掘工作结束了，赫定命令仆人们将挖掘到的所有古物分类装箱，用9头骆驼运载回去。他清楚地知道，自己挖到的都是无价之宝，但是对自己却是一个谜，作为探险家、旅行家的他不能辨认那些文字，不能准确地说出古城的年代，也不知道这座古城叫什么名字。他要将这些东西带回瑞典去请历史学家、考古学家和汉学家鉴定。
现“Kroralna”这个词，推断出这座古城就是湮没千年的楼兰。至此，历史上西域36国之一的楼兰在湮没千年后重现于世。楼兰古城的发现，不仅对研究楼兰所在的社会、古代东西方的交通和文化交流有着重要价值，而且通过楼兰的兴衰史，还可了解到塔克拉玛干大沙漠及罗布泊的演变。楼兰遗址的发观，是赫定探险活动中最具历史意义的一件事。自此，这里成为世界汉学家们注目的地方，外国探险家纷至沓来，如斯坦因、橘瑞超等，楼兰文物大量流失。
